一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于在线制氢技术领域，涉及一种用于质子交换膜燃料电池的在线制氢系统，及其控制方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种不经过燃烧过程的高效发电装置。燃料电池和传统意义上的电池不同，它直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学方式转化为电能。燃料电池有很多类型，按电解质的不同可分为:碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池和其他类型的燃料电池相比，具有高功率密度、高能量转换效率、低振动噪声、低温启动、环境友好等优点。目前，质子交换膜燃料电池已广泛应用于清洁能源、交通、分布式电站、应急电源、国防军工等领域。
[0003]高纯氢气是质子交换膜燃料电池的燃料。工业上规模化制备高纯氢气的方法主要为水电解制氢、天然气重整制氢等。质子交换膜燃料电池作为发电系统时，高纯氢气通常存储于特定的装置里，并根据燃料电池系统的运行要求进行实时供氢。
[0004]目前，质子交换膜燃料电池的供氢方式主要有高压储氢、金属合金储氢、重整制氢等。高压储氢是指在氢气临界温度以上通过高压压缩的方式将氢气储存于耐压的容器中。该供氢方法的优点是储氢装置结构简单、携带使用方便、充放氢速度快，其不足之处在于储氢密度低，即使将储氢压力提高至70MPa，其体积储氢密度也只有4kg/100L左右。此外，高压储氢容器的运输和使用具有严重的安全隐患。金属合金储氢是氢气以金属氢化物的形式储存于金属罐中，通过外界提供的热量实现氢气的释放供给。该技术具有安全性高、可靠性好等特点，其不足之处在于储氢装置体积重量大、制造成本高、储氢密度低。目前处于规模应用的储氢合金为TiFe合金，其质量储氢密度约为1.8wt%，难以满足大功率质子交换膜燃料电池的供氢需求，且移动和运输困难。重整制氢是指天然气、甲醇、乙醇等富氢燃料在一定温度和压力条件下，在催化剂的作用下发生重整催化反应，转化为H2和C02的过程。该技术的主要特点在于制氢装置体积重量小、储氢密度高、结构简单，其不足之处在于所产生的H2中含有CO、C02等杂质气体，使用前需要进一步分离纯化。而常用的纯化技术为变压吸附技术，该技术可以获得较高纯度的氢气，但是变压吸附装置整体的体积重量大，纯化效率低，且电能消耗较大，大幅降低了燃料电池系统整体的发电效率，因而不适合与燃料电池发电系统匹配使用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一在于克服现有燃料电池在线供氢技术的不足，提供一种用于质子交换膜燃料电池的在线高纯氢气制备系统，其具有较好的新颖性以及创新性。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，包括甲醇箱以及通过甲醇计量栗与甲醇箱连接的原料箱和催化燃烧器，原料箱上设有燃料电池排出水入口，催化燃烧器上设有氧气入口，原料箱上依次连接有醇水计量栗和换热器，换热器上连接有汽化器，汽化器上连接有重整反应器，重整反应器上连接有钯膜纯化器，钯膜纯化器与催化燃烧器连接。
[0007]所述的一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，其钯膜纯化器上还依次连接有开关阀、CO浓度传感器、压力传感器、温度传感器和质量流量控制器。
[0008]所述的一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，其醇水计量栗和换热器之间依次连接有开关阀和质量流量控制器。
[0009]所述的一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，其甲醇计量栗和原料箱之间还依次连接有开关阀和质量流量控制器，所述的甲醇计量栗和催化燃烧器之间连接有调节阀。
[0010]所述的一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，其甲醇箱、甲醇计量栗、原料箱、催化燃烧器、醇水计量栗、换热器、汽化器以及钯膜纯化器通过不锈钢材质管道相连接，所述的管道外包覆有保温层。
[0011]所述的一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，其换热器为管壳式换热器，所述的重整反应器为设置有温度传感器、压力传感器和安全阀的等温反应器或绝热式反应器。
[0012]所述的一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，其钯膜纯化器为钯银或钯铜合金膜管束组成的纯化器，钯膜纯化器上设置有温度传感器和压力传感器。
[0013]所述的一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，其催化燃烧器为采用氧化铝负载铂或金作为催化剂的扩散式无焰催化燃烧器，催化燃烧器上设置有温度传感器。
[0014]所述的一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，其原料箱上设置有液位传感器，所述的甲醇箱上设置有液位传感器。
[0015]本发明的目的之二在于提供上述在线高纯氢气制备系统的控制方法。
[0016]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统的控制方法，包括如下步骤:
a)、确认系统中的各设备器件完好后，开启甲醇计量栗、开关阀和调节阀，同时通入氧气进行甲醇的催化燃烧，待钯膜纯化器和重整反应器中的温度升至400°C后，开启醇水计量栗和开关阀，通过醇水计量栗调节醇水混合物的流量；
b)、醇水混合物经换热器换热、汽化器加热后转化为高温混合气，并在重整反应器中进行重整催化反应，在线制氢系统启动完成；
C)、在线制氢系统运行正常后关闭调节阀，燃烧重整产物尾气进行催化燃烧供热，同时打开开关阀向燃料电池供应氢气；
d)、通过一氧化碳浓度传感器、压力传感器、温度传感器实时监测纯氢的一氧化碳含量、纯氢压力、温度，通过调节醇水混合物的流量对纯氢的流量进行控制。
[0017]本发明的有益效果在于:
系统以甲醇水重整反应制氢的方式进行在线供氢，纯氢产量通过调节醇水混合物的流量进行控制，该方法具有储氢密度大、氢气纯度高、能耗低、结构紧凑、启停控制简便、易于实现模块化设计等特点，并且可以实现一键启停。
[0018]系统启动所需要的热量由甲醇的催化燃烧提供，制氢系统运行平稳后，所需热量通过钯膜纯化器分离重整产物气所得尾气的催化燃烧提供，甲醇或重整反应尾气催化燃烧产生的高温气体先后流经钯膜纯化器、重整反应器、汽化器，最后通过换热器与醇水混合物进行热交换后排出，由于系统启动和运行时所需热量分别来自于甲醇和重整反应尾气的催化燃烧，降低了系统的能耗消耗和对外界辅助条件的要求。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的系统结构示意图。
[0020]各附图标记为:1 一原料箱，1.1 一液位传感器，2 —醇水计量栗，2.1一开关阀，2.2—质量流量控制器，3—换热器，4一汽化器，5—重整反应器，5.1一压力传感器，5.2—温度传感器，5.3一安全阀，6—钯膜纯化器，6.1一温度传感器，6.2一压力传感器，6.3一开关阀，6.4—CO浓度传感器，6.5—压力传感器，6.6—温度传感器，6.7—质量流量控制器，7—催化燃烧器，7.1—温度传感器，8—甲醇箱，8.1—液位传感器，9.1一质量流量控制器，9.2—开关阀，9.3—调节阀，10—氧气入口，11—燃料电池排出水入口。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0022]参照图1所示，本发明公开了一种用于燃料电池的在线高纯氢气制备系统，包括甲醇箱8以及通过甲醇计量栗9与甲醇箱8连接的原料箱I和催化燃烧器7，甲醇流经甲醇计量栗9后分为两个支路分别输送至原料箱I和催化燃烧器7，所述的甲醇计量栗9和原料箱I之间还依次连接有开关阀9.2和质量流量控制器9.1，所述的甲醇计量栗9和催化燃烧器7之间连接有调节阀9.3，甲醇的流量通过甲醇计量栗9、质量流量控制器9.1、开关阀9.2以及调节阀9.3进行控制调节，原料箱I上设有燃料电池排出水入口 11，用于将燃料电池运行所产生的水通过管路收集并输送至原料箱I中，所述的原料箱I上设置有液位传感器1.1，所述的甲醇箱8上设置有液位传感器8.1，所述的催化燃烧器7为采用氧化铝负载铂或金作为催化剂的扩散式无焰催化燃烧器，催化燃烧器7上设置有温度传感器7.1，催化燃烧器7上设有氧气入口